Текст книги "Концепции современного естествознания. Конспект лекций"

Лекция 5. Современная астрономия

Модель Большого взрыва и расширяющейся Вселенной

Во все времена люди хотели знать, как возник наш мир. Когда в культуре господствовали мифологические представления, происхождение мира объяснялось, как, скажем, в «Ведах», распадом первочеловека Пуруши. То, что это была общая мифологическая схема, подтверждается и русскими апокрифами, например «Голубиной книгой». Победа христианства утвердила представления о сотворении Богом мира из ничего.

С появлением науки в ее современном понимании на смену мифологическим и религиозным приходят научные представления о происхождении Вселенной. Следует разделять три близких термина: бытие, универсум и Вселенная. Первый термин – философский и обозначает все существующее, бытующее. Второй употребляется и в философии, и в науке, но не несет специфической философской нагрузки (в плане противопоставления бытия и сознания) и обозначает все как таковое.

Значение термина Вселенная у́же и приобрело специфически научное звучание. Вселенная – место вселения человека, доступное эмпирическому наблюдению. Постепенное сужение научного значения термина «Вселенная» вполне понятно, так как естествознание, в отличие от философии, имеет дело только с тем, что эмпирически проверяемо современными научными методами.

Вселенную в целом изучает космология, т. е. наука о космосе. Слово это тоже не случайно. Сегодня космосом называют все, находящееся за пределами атмосферы Земли, однако не так было в Древней Греции. Космос тогда принимался как «порядок», «гармония», в противоположность хаосу – «беспорядку». Таким образом, космология в основе своей, как и подобает науке, открывает упорядоченность нашего мира и нацелена на поиск законов его функционирования. Открытие этих законов и представляет собой цель изучения Вселенной как единого упорядоченного целого.

Это изучение зиждется на нескольких предпосылках. Во-первых, формулируемые физикой универсальные законы функционирования мира считаются действующими во всей вселенной. Во-вторых, производимые астрономами наблюдения тоже признаются адекватными для всей Вселенной. И, в-третьих, истинными признаются только те выводы, которые не противоречат возможности существования самого наблюдателя, т. е. человека (так называемый антропный принцип).

Выводы космологии называются моделями происхождения и развития Вселенной. Почему моделями? Дело в том, что одним из основных принципов современного естествознания является представление о возможности проведения в любое время управляемого и воспроизводимого эксперимента над изучаемым объектом. Только если можно провести бесконечное в принципе количество экспериментов и все они приводят к одному результату, на основе этих экспериментов делают заключение о наличии закона, которому подчиняется функционирование данного объекта. Лишь в этом случае результат считается вполне достоверным с научной точки зрения.

Ко Вселенной в целом это методологическое правило остается неприменимым. Наука формулирует универсальные законы, а Вселенная уникальна. Это противоречие, которое требует считать все заключения о происхождении и развитии Вселенной не законами, а лишь моделями, т. е. возможными вариантами объяснения. Строго говоря, все законы и научные теории являются моделями, поскольку они могут быть заменены в процессе развития науки другими концепциями, но модели Вселенной в большей степени модели, чем многие иные научные утверждения.

В космологии общепринята модель однородной изотропной нестационарной горячей расширяющейся Вселенной, построенная на основе общей теории относительности и релятивистской теории тяготения, созданных физиком-теоретиком, одним из создателей современной физики Альбертом Эйнштейном (Нобелевская премия, 1921) в 1916 г. В основе этой модели лежат два предположения: свойства Вселенной одинаковы во всех ее точках (однородность) и направлениях (изотропность); наилучшим известным описанием гравитационного поля являются уравнения Эйнштейна. Из этого следует так называемая кривизна пространства и связь кривизны с плотностью массы (энергии). Космология, основанная на этих постулатах, – релятивистская.

Важный пункт данной модели – ее нестационарность. Это определяется двумя постулатами теории относительности: 1) принципом относительности, гласящим, что во всех инерционных системах все законы сохраняются вне зависимости от того, с какими скоростями равномерно и прямолинейно движутся эти системы друг относительно друга; 2) экспериментально подтвержденным постоянством скорости света.

Из теории относительности следовало, что искривленное пространство не может быть стационарным: оно должно или расширяться, или сжиматься. Первым это заметил петербургский физик и математик Александр Александрович Фридман в 1922 г. Эмпирическим подтверждением этого вывода стало открытие американским астрономом Эдвином Хабблом в 1929 г. так называемого красного смещения.

«Красное смещение» – это понижение частот электромагнитного излучения: в видимой части спектра линии смещаются к его красному концу. Согласно обнаруженному ранее эффекту Доплера, при удалении от нас какого-либо источника колебаний воспринимаемая нами частота колебаний уменьшается, а длина волны соответственно увеличивается. При излучении происходит «покраснение», т. е. линии спектра сдвигаются в сторону более длинных красных волн.

Так вот, для всех далеких источников света «красное смещение» было зафиксировано, причем чем дальше находился источник, тем в большей степени. «Красное смещение» оказалось пропорционально расстоянию до источника, что и подтверждало гипотезу об их удалении, т. е. о расширении Метагалактики – видимой части Вселенной. Открытие «красного смещения» позволило сделать вывод о разбегании галактик и расширении Вселенной.

«Красное смещение» надежно подтверждает теоретический вывод о нестационарности области нашей Вселенной с линейными размерами порядка нескольких миллиардов парсек на протяжении по меньшей мере нескольких миллиардов лет. В то же время кривизна пространства не может быть измерена, оставаясь теоретической гипотезой.

Если Вселенная расширяется, значит она возникла в определенный момент времени. Как это произошло? Составной частью модели расширяющейся Вселенной является представление о Большом взрыве, происшедшем примерно 13,7 млрд лет назад. «Вначале был взрыв. Не такой взрыв, который знаком нам на Земле и который начинается из определенного центра и затем распространяется, захватывая все больше и больше пространства, а взрыв, который произошел одновременно везде, заполнив с самого начала все пространство, причем каждая частица материи устремилась прочь от любой другой частицы»[42]42
  Вейнберг С. Первые три минуты: современный взгляд на происхождение Вселенной. М., 1981. С. 30.


[Закрыть].

Начальное состояние Вселенной (так называемая точка сингулярности) характеризуется следующими свойствами: бесконечная плотность массы, бесконечная кривизна пространства и взрывное, замедляющееся со временем расширение при высокой температуре, когда могла существовать только смесь элементарных частиц (включая фотоны и нейтрино). Горячесть начального состояния подтверждена открытием в 1965 г. реликтового излучения фотонов и нейтрино, образовавшихся на ранней стадии расширения Вселенной. Предсказание реликтового излучения было следствием модели Большого взрыва и расширяющейся Вселенной, а его обнаружение – подтверждением данного следствия. Слово «реликтовое» здесь не случайно – так и по остаткам существовавших в древности животных заключают о том, что они были.

Возникает интересный вопрос: из чего же образовалась Вселенная? Чем было то, из чего она возникла? В Библии утверждается, что Бог создал все из ничего. Зная, что в классической науке сформулированы законы сохранения материи и энергии, религиозные философы спорили о том, что значит библейское «ничего», и некоторые полагали, что под ничем имеется в виду первоначальный материальный хаос, упорядоченный Богом.

Как это ни удивительно, современная наука допускает (именно допускает, но не утверждает), что все могло создаться из ничего. «Ничего» в научной терминологии называется вакуумом. Вакуум, который физика XIX в. считала пустотой, по современным научным представлениям является своеобразной формой материи, способной при определенных условиях «рождать» вещественные частицы.

Современная квантовая механика допускает (это не противоречит теории), что вакуум может приходить в «возбужденное состояние», вследствие чего в нем может образоваться поле, а из него (что подтверждается современными физическими экспериментами) – вещество.

Рождение Вселенной «из ничего» означает с современной научной точки зрения ее самопроизвольное возникновение из вакуума, когда в отсутствии частиц происходит флуктуация, или случайное отклонение какой-либо величины от ее среднего значения. Если число фотонов равно нулю, то напряженность поля не имеет определенного значения (по «принципу неопределенности» Гейзенберга): поле постоянно испытывает флуктуации, хотя среднее (наблюдаемое) значение напряженности равно нулю.

Флуктуация представляет собой появление виртуальных частиц, которые непрерывно рождаются и сразу же уничтожаются, но так же участвуют во взаимодействиях, как и реальные частицы. Благодаря флуктуациям вакуум приобретает особые свойства, проявляющиеся в наблюдаемых эффектах.

Итак, Вселенная могла образоваться из «ничего», т. е. из «возбужденного вакуума». Такая гипотеза, конечно, не может служить подтверждением существования Бога. Ведь все это могло произойти в соответствии с законами физики естественным путем без вмешательства извне каких-либо идеальных сущностей. И в этом случае научные гипотезы не подтверждают и не опровергают религиозные догмы, которые лежат по ту сторону эмпирически подтверждаемого и опровергаемого естествознания.

На этом удивительное в современной физике не кончается. Отвечая на просьбу журналиста изложить суть теории относительности в одной фразе, Эйнштейн сказал: «Раньше полагали, что если бы из Вселенной исчезла вся материя, то пространство и время сохранились бы; теория относительности утверждает, что вместе с материей исчезли бы также пространство и время». Перенеся этот вывод на модель расширяющейся Вселенной, можно заключить, что до образования Вселенной не было ни пространства, ни времени.

Отметим, что теория относительности соответствует двум разновидностям модели расширяющейся Вселенной. В первой из них кривизна пространства-времени отрицательна или в пределе равна нулю; в этом варианте все расстояния со временем неограниченно возрастают. Во второй разновидности модели кривизна положительна, пространство конечно, и в этом случае расширение со временем заменяется сжатием. В обоих вариантах теория относительности согласуется с нынешним эмпирически подтвержденным расширением Вселенной.

Досужий ум неизбежно задается вопросами: что же было тогда, когда не было ничего, и что находится за пределами расширения? Первый вопрос очевидно противоречив сам по себе, второй выходит за рамки конкретной науки. Астроном может сказать, что как ученый он не вправе отвечать на такие вопросы. Но поскольку они все же возникают, формулируются и возможные обоснования ответов, причем не столько научных, сколько натурфилософских.

Так, проводится различие между терминами «бесконечный» и «безграничный». Примером бесконечности, которая не безгранична, служит поверхность Земли: мы можем идти по ней бесконечно долго, но тем не менее она ограничена атмосферой сверху и земной корой снизу. С одной стороны, Вселенная также может быть бесконечной, но ограниченной. С другой стороны, известна и такая точка зрения: в материальном мире не может быть ничего бесконечного, потому что он развивается в виде конечных систем с петлями обратной связи, которыми эти системы создаются в процессе преобразования среды.

Но оставим эти соображения области натурфилософии, потому что в естествознании в конечном счете критерием истины служат не абстрактные соображения, а эмпирическая проверка гипотез.

Что происходило на начальных этапах эволюции Вселенной, получивших название Большого взрыва? В космологии главенствует гипотеза постепенной эволюции физической материи и образования существующих физических сил из первоначальной единой суперсилы. Выделяют следующие этапы Большого взрыва: инфляционный, суперструнный, этап великого объединения, электрослабый, кварковый, этап нуклеосинтеза.

Когда возраст Вселенной был менее 10^–43 с, произошло ее интенсивное расширение (раздувание), названное инфляцией (хорошо всем известное слово употреблено здесь в особом специфическом смысле). «…раздувание предлагает естественный механизм для создания больших пространственных размеров во Вселенной»[43]43
  Лидсей Д.Э. Рождение Вселенной. М., 2005. С. 119.


[Закрыть]. Что расширялось при отсутствии в пространстве материи? Само пространство, а именно три пространственные измерения (в целом пространственных измерений на ранних стадиях эволюции Вселенной и в настоящее время насчитывают до десяти). Это инфляционный этап. «Когда раздувание закончилось, произошла огромная передача энергии. Энергия, которая управляла инфляционным расширением, преобразовалась в элементарные частицы и излучение, что закончилось драматическим увеличением температуры Вселенной»[44]44
  Там же. С. 160.


[Закрыть].

Когда возраст Вселенной достиг 10^–43 с, появились первые материальные объекты, получившие название суперструн, поскольку по аналогии с обычными струнами они имеют длину и свойство колебаться. У струн нет толщины, а протяженность порядка 10^–33 см. Это суперструнный этап. Предполагается, что колебания струн способны порождать все возможные частицы и физические поля. При этом «обычные» частицы и физические поля живут только в реальном мире с числом измерений 3 + 1 (три пространственных плюс время). «Привлекательная особенность такой картины состоит в том, что она дает возможность рассматривать все частицы в виде одного и того же фундаментального объекта – суперструны… Характеристики суперструны, такие как растяжение и энергия колебаний, могут изменяться, и эти вариации проявляются как частицы с различными свойствами… Другая привлекательная особенность суперструнной теории состоит в том, что взаимодействия частиц естественно объясняются разрывом струны на части или соединением отдельных кусков вместе»[45]45
  Там же. С. 67.


[Закрыть].

На каждом последующем этапе по мере расширения Вселенной температура постепенно снижается, определяя протекающие физические процессы. Следующий этап назван этапом великого объединения, поскольку единая суперсила разбилась в начале его на силу гравитации и силу великого объединения. На данном этапе продолжили расширяться только три пространственных измерения, известные нам как длина, ширина и высота. Снижение температуры заставило струны сжаться, и они начали походить на точечные объекты, которые известны сегодня как элементарные частицы и античастицы. В этот период элементарные частицы обменивались частицами, ответственными за перенос силы великого объединения и были неразличимы между собой.

В возрасте Вселенной 10^–35 с сила великого объединения расщепилась на сильную и электрослабую силы. Начался электрослабый этап. Элементарные частицы утратили способность взаимодействовать между собой посредством силы великого объединения и разделились на кварки и лептоны, но благодаря электрослабой силе взаимодействовали с излучением и были неотличимы от него.

В возрасте Вселенной 10^–10 с произошло расщепление электрослабых сил на слабые и электромагнитные. Начался кварковый этап. В начале его в отсутствии электрослабой силы более влиятельным стало сильное взаимодействие, которое объединило кварки в протоны и нейтроны.

В возрасте Вселенной 10^–4 с при температуре в миллиард градусов начался процесс образования ядер атомов водорода и гелия (нуклеосинтез). Соответственно этот этап получил название нуклеосинтеза. Полностью данный процесс был закончен в течение приблизительно трех минут.

В последующие 300 тыс. лет Вселенная продолжила расширяться, а температура понизилась до 3 тыс. градусов. Из ядер атомов и электронов стали образовываться атомы, и началась эра вещества. Появление атомов может рассматриваться как окончание Большого взрыва.

На этапах возникновения вещества Вселенная состояла из плотной смеси элементарных частиц, находившихся в состоянии плазмы (нечто среднее между твердым и жидким состоянием). Плазма расширялась все больше и больше под действием взрывной волны. Соответственно температура ее падала и в результате менялся состав вещества. «Когда температура была выше 1 млрд градусов, электромагнитное излучение имело достаточно энергии, чтобы разрушить любые ядра, которые, возможно, возникали. Аналогично, если атом так или иначе сумел сформироваться, когда температура была более чем 3 тыс. градусов, излучение вскоре сталкивалось с ним и выбивало электроны, делая их свободными. Ниже этой температуры энергия излучения была уже недостаточной для того, чтобы освобождать электроны, и поэтому атомы выживали»[46]46
  Там же. С. 77.


[Закрыть]. Через 0,01 с после начала Большого взрыва во Вселенной появилась смесь легких ядер (²/₃ водорода и ¹/₃ гелия). По своему химическому составу Вселенная и в настоящее время более чем на 90 % состоит из водорода и гелия.

«Так как свободные заряженные частицы, способные взаимодействовать с основной частью излучения, отсутствовали, оно осталось, по существу, неискаженным при дальнейшее расширении Вселенной»[47]47
  Там же. С. 78.


[Закрыть]. Поскольку атомы нейтральны, а фотоны, из которых состоит излучение, отрицательно заряжены, излучение отделилось от вещества, когда сформировались атомы. Обнаружение этого излучения, названного реликтовым, и стало решающим подтверждением модели Большого взрыва.

Что касается этапов Большого взрыва, то они ждут своей эмпирической проверки на современных мощных ускорителях типа Большого адронного коллайдера, на котором искусственно воссоздаются условия, существовавшие на ранних этапах эволюции Вселенной. Большой адронный коллайдер изучает взаимодействие элементарных частиц путем разгона их до энергии, при которой существенную роль играют и квантовые эффекты, и эффекты общей теории относительности.

Эволюция и строение галактик

Вопрос об образовании и строении галактик – следующий важный вопрос происхождения Вселенной. Его изучает не только космология – наука о Вселенной как едином целом, но также и космогония (греч. «гонос» означает рождение) – область науки, где изучаются происхождение и развитие космических тел и их систем (различают планетную, звездную, галактическую космогонию).

Как образовались галактики и звезды? Плотность вещества во Вселенной была неодинакова в различных частях, и к областям большей плотности притягивалось вещество из соседних областей. Области высокой плотности становились таким образом еще плотнее. Формировались так называемые острова материи, которые начинали сжиматься из-за собственной гравитации. В пределах «островов» образовывались отдельные «мини-острова» с еще более высокой плотностью. Из первоначальных «островов» образовались галактики, и из «мини-островов» – звезды. Процесс этот завершился в течение 1 млрд лет с момента рождения Вселенной.

Галактика представляет собой гигантские скопления звезд и их систем, имеющие свой центр (ядро) и различную, не только сферическую, но часто спиралевидную, эллиптическую, сплюснутую или вообще неправильную форму. Галактик миллиарды, и в каждой из них насчитываются миллиарды звезд.

Наша галактика называется Млечный Путь и состоит из 150 млрд звезд, а также из ядра и нескольких спиральных ветвей. Ее размеры – 100 тыс. световых лет. Большая часть звезд нашей галактики сосредоточена в гигантском «диске» толщиной около 1500 световых лет. На расстоянии около 30 тыс. световых лет от центра галактики расположено Солнце.

Вторую часть галактики составляет сферическая подсистема, где также около 100 млрд звезд. Но движутся они по сильно вытянутым орбитам, плоскости которых проходят через центр галактики. Диаметр сферической подсистемы близок к диаметру «диска». Третья, внешняя, часть галактики называется гало. Размер ее в 10 раз больше размеров диска, и состоит она из темного вещества, названного так потому, что в нем нет звезд и из него не исходит никакого света. Его нельзя увидеть, а узнали о нем по наличию тяготения. Масса темного вещества в гало в 10 раз больше суммарной массы всех звезд галактики.

Из чего состоит темное вещество неясно. Предположений много: от элементарных частиц до звезд-карликов. Космологическая среда в целом включает четыре компонента: темная энергия; темное вещество; барионы (обычное вещество); излучение. Излучение состоит из реликтового излучения (фотоны), нейтрино и антинейтрино.

Темная энергия (или космический вакуум) – «это такое состояние космической среды, которое обладает постоянной во времени и всюду одинаковой в пространстве плотностью – и притом в любой системе отсчета»[48]48
  Черепащук А.М., Чернин А.Д. Вселенная, жизнь, черные дыры. Фрязино, 2007. С. 229.


[Закрыть]. О физической природе темной энергии ничего не известно. Последние наблюдения показывают, что 6–8 млрд лет назад замедляющееся расширение сменилось ускоренным. Причиной считают следующее: ранее (6–8 млрд лет назад) преобладало тяготение, а затем антитяготение. Это служит аргументом в пользу наличия темной энергии. «На космический вакуум приходится 67 % всей энергии мира, на темное вещество – 30, на обычное вещество – 3 %»[49]49
  Там же. С. 233.


[Закрыть].

Ближайшая к нашей галактике (которую световой луч достигает за 2 млн лет) – «Туманность Андромеды». Она названа так потому, что именно в созвездии Андромеды в 1917 г. был открыт первый внегалактический объект. Его принадлежность к другой галактике была доказана в 1923 г. американским астрономом Эдвином Хабблом, нашедшим путем спектрального анализа в этом объекте звезды. Размеры «Туманности Андромеды» сравнимы с размерами нашей галактики. Позже были открыты другие галактики.

Галактики собраны в коллективы от нескольких единиц до тысяч – скопления галактик. Наше скопление называется Местная группа (ее размеры – 60 размеров Млечного Пути). Название галактик из Местной группы – Туманность Андромеды, Треугольник, Большое Магелланово Облако, Малое Магелланово Облако и др. Скопления сгруппированы в сверхскопления. В центре нашего сверхскопления – скопление Дева. Всего во Вселенной существуют сотни миллиардов галактик.

Галактики, скопления и сверхскопления распространены во Вселенной равномерно. Однородность галактик означает, что ни одна из них не является центром мира. В целом на каждые 10 м пространства приходится один атом водорода. Компактные массивные сгущения в центральных частях галактик называются ядрами галактик.

В 1963 году были открыты квазары (квазизвездные радиоисточники) – самые мощные источники радиоизлучения во Вселенной со светимостью в сотни раз большей светимости галактик и размерами в десятки раз меньшими размеров галактик. Было предположено, что квазары представляют собой ядра новых галактик, и, стало быть, процесс образования галактик продолжается и поныне.